单光子雪崩二极管（SPAD）微单元阵列及其操作方法技术

本公开的实施例总体上涉及单光子雪崩二极管(SPAD)微单元阵列及其操作方法。一种数字光检测器，包括时钟信号发生器，其被配置为生成时钟信号，该时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；单光子雪崩二极管(SPAD)，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，该SPAD包括内部耦合在阳极端子与阴极端子之间的内部电容器；以及主动抑制‑再充电电路，其由时钟信号触发。该主动抑制‑再充电电路被配置为基于时钟信号而被激活和停用，其中主动抑制‑再充电电路被配置为在激活主动抑制‑再充电电路的条件下，为内部电容器再充电，并且其中主动抑制‑再充电电路被配置为在停用主动抑制‑再充电电路的条件下，使内部电容器放电。

【技术实现步骤摘要】
单光子雪崩二极管(SPAD)微单元阵列及其操作方法
本公开总体上涉及光电检测器阵列，更具体地涉及一种单光子雪崩二极管(SPAD)微单元阵列。
技术介绍
光检测和测距(LIDAR)是一种遥感方法，其使用脉冲激光形式的光来测量与视场中一个或多个物体相距的范围(可变距离)。具体地，光朝向物体传输。单个光电检测器或光电检测器阵列接收来自被光照射的物体的反射，并且确定反射到达光电检测器阵列中各种传感器所花费的时间。这也称为测量飞行时间(ToF)。LIDAR系统形成深度测量，并且通过基于飞行时间计算将距离映射到物体进行距离测量。因此，飞行时间计算可以创建可以用于生成图像的距离图和深度图。光电检测器阵列生成模拟电信号，该模拟电信号需要转换为数字域，以便执行ToF测量。例如，ADC可以用于信号检测和ToF测量。在这种情况下，每个ADC可以用来检测来自一个或多个光电二极管的模拟电信号，以使用适当算法估计开始信号(即，与传输的光脉冲的时间相对应)与停止信号(即，与在ADC处接收模拟电信号的定时相对应)之间的时间间隔。另外，在ADC接收到模拟电信号之前，电信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字光检测器，包括：/n时钟信号发生器，其被配置为生成时钟信号，所述时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；/n单光子雪崩二极管SPAD，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，所述SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在所述阳极端子与所述阴极端子之间的内部电容器；以及/n主动抑制-再充电电路，其由所述时钟信号触发，其中所述主动抑制-再充电电路被配置为基于所述时钟信号而被激活和停用；/n其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在激活所述主动抑制-再充电电路的条件下，为所述内部电容器再充电，以及/n其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在停用所述主动抑制-再充电电路的条件...

【技术特征摘要】
20190524 US 62/852,538;20200506 US 16/868,0641.一种数字光检测器，包括：
时钟信号发生器，其被配置为生成时钟信号，所述时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；
单光子雪崩二极管SPAD，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，所述SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在所述阳极端子与所述阴极端子之间的内部电容器；以及
主动抑制-再充电电路，其由所述时钟信号触发，其中所述主动抑制-再充电电路被配置为基于所述时钟信号而被激活和停用；
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在激活所述主动抑制-再充电电路的条件下，为所述内部电容器再充电，以及
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在停用所述主动抑制-再充电电路的条件下，使所述内部电容器放电。


2.根据权利要求1所述的数字光检测器，其中所述主动抑制-再充电电路包括：
输出节点；以及
控制端子，其耦合到所述时钟信号发生器，其中所述控制端子被配置为接收所述时钟信号，以基于充电条件被满足而为所述内部电容器主动充电；
其中在所述内部电容器处于放电状态的同时接收到所述时钟信号的时钟脉冲的条件下，所述充电条件被满足。


3.根据权利要求2所述的数字光检测器，其中
所述主动抑制-再充电电路包括与所述SPAD串联耦合的晶体管，以及
所述晶体管包括所述控制端子。


4.根据权利要求3所述的数字光检测器，其中所述晶体管在所述输出节点处耦合到所述SPAD。


5.根据权利要求2所述的数字光检测器，其中所述内部电容器响应于所述SPAD接收到所述光子而放电。


6.根据权利要求2所述的数字光检测器，其中当所述内部电容器的电容器电压小于偏置电压电位时，所述内部电容器处于所述放电状态。


7.根据权利要求6所述的数字光检测器，其中
所述SPAD具有小于所述偏置电压电位的击穿电压，以及
当所述内部电容器的电容器电压等于或小于所述击穿电压时，所述内部电容器处于所述放电状态。


8.根据权利要求6所述的数字光检测器，其中
所述主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述充电条件被满足而接通，从而将所述内部电容器充电到所述偏置电压电位，以及
所述主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述内部电容器被充电到所述偏置电压电位而关断，并且保持关断直到所述充电条件被再次满足为止。


9.根据权利要求8所述的数字光检测器，其中所述SPAD被配置为响应于所述内部电容器放电到所述放电状态而关断，并且保持关断直到接收到另一光子为止。


10.根据权利要求8所述的数字光检测器，其中
所述内部电容器响应于所述SPAD接收到所述光子而被放电，以及
所述时钟信号发生器和所述主动抑制-再充电电路在所述内部电容器被放电到所述放电状态的时间与所述充电条件被满足或在使得所述内部电容器能够充电到所述偏置电压电位之前被再次满足的时间之间强加一个保持时间。


11.根据权利要求2所述的数字光检测器，还包括：
电平移位器，其耦合到所述输出节点并且被配置为将所述输出节点处的输出电位转换为数字值；以及
时钟控制的1位存储器设备，其被配置为从所述时钟信号发生器接收所述时钟信号，从所述电平移位器接收所述数字值，并且在每个时钟周期的基础上在所述时钟信号的每个时钟脉冲处输出所述数字值。


12.根据权利要求11所述的数字光检测器，其中
所述SPAD和所述主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述SPAD被接通而在所述输出节点处生成第一电位，以及
所述SPAD和所述主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述SPAD被关断而在所述输出节点处生成第二电位。


13.根据权利要求12所述的数字光检测器，其中所述SPAD被配置为响应于所述内部电容器被放电到所述放电状态而关断，并且保持关断直到接收到另一光子为止。


14.根据权利要求1所述的数字光检测器，其中所述内部电容器是所述SPAD的杂散电容或寄生电容。


15.一种操作数字光检测器的方法，所述方法包括：
提供偏置电压电位；
生成时钟信号，所述时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；
响应于接收到光子而接通单光子雪崩二极管SPAD并且生成雪崩电流，其中所述SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在所述阳极端子与所述阴极端子之间的内部电容器；
基于所述时钟信号来控制主动抑制-再充电电路的激活状态；
在激活所述主动抑制-再充电电路的条件下，为所述内部电容器充电；以及
在停用所述主动抑制-再充电电路的条件下，使所述内部电容器放电。


16.根据权利要求15所述的方法，其中为所述内部电容器充电还包括：满足充电条件，其中在所述内部电容器处于放电状态的同时接收到所述时钟信号的时钟脉冲的条件下，所述充电条件被满足。


17.一种数字硅光电倍增管SiPM设备，包括：
时钟信号发生器，其被配置为生成时钟信号，所述时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；
微单元阵列，其中每个微单元包括：
单光子雪崩二极管SPAD，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，所述SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在所述阳极端子与所述阴极端子之间的内部电容器；以及
主动抑制-再充电电路，其由所述时钟信号触发，其中所述主动抑制-再充电电路被配置为基于所述时钟信号而被激活和停用；
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在激活所述主动抑制-再充电电路的条件下，为所述内部电容器再充电，
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在停用所述主动抑制-再充电电路的条件下，使所述内部电容器放电；以及
数字输出，其被配置为输出与在所述主动抑制-再充电电路的输出节点处生成的电位相对应的数字值；以及
求和电路，其被配置为从所述微单元阵列接收数字值并且基于所述数字值的和来生成针对所述SiPM的数字像素值。


18.根据权利要求17所述的数字SiPM设备，其中每个主动抑制-再充电电路包括：
控制端子，其耦合到所述时钟信号发生器，其中所述控制端子被配置为接收所述时钟信号，以基于充电条件被满足而为对应的SPAD的所述内部电容器主动充电；
其中在所述对应的SPAD的所述内部电容器处于放电状态的同时接收到所述时钟信号的时钟脉冲的条件下，所述充电条件被满足。


19.根据权利要求17所述的数字SiPM设备，其中所述内...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·E·亨内克，B·基里洛夫，T·图尔纳，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE